湯懷武　王紅春　史愛民

摘要： 殼寡糖是指由2～10個2-氨基葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵連接而形成的直鏈或支鏈的低度聚合物，可以抑制多種植物病原真菌和細菌的生長。殼寡糖分子中C3、C6位的羥基以及C2位的氨基是強親核基團的活潑基團，容易發(fā)生親核加成或親核取代反應(yīng)，C3、C6位的羥基還會發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基或羧基。對殼寡糖的化學(xué)修飾主要包括?；?、羧基化、羥基化、氰化、醚化、烷化、酯化、接枝化、交聯(lián)化、成鹽、螯合等反應(yīng)。通過化學(xué)修飾生成各種不同結(jié)構(gòu)和不同性能的衍生物，不但拓寬了殼寡糖的應(yīng)用范圍，而且可以提高殼寡糖的生物性能，是近年來殼寡糖研究的熱點，生成的殼寡糖衍生物具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)；殼寡糖；改性；專利；綜述

中圖分類號： S-1 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0444-03

殼聚糖（oligochitosan）是甲殼素（chitin）部分脫乙酰的產(chǎn)物，由β-1，4-糖苷鏈連接的2-氨基葡萄糖和2-乙酰氨基葡萄糖組成，其中前者含量一般超過80%。殼寡糖（oligochitosan）是殼聚糖經(jīng)水解生成的一類低聚物，嚴(yán)格意義上，殼寡糖是指由2～10個2-氨基葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵連接而形成的直鏈或支鏈的低度聚合物，其分子中的糖度基數(shù)稱為聚合度（DP） [1]。文獻中通常將聚合度在10～20之間的也稱為殼寡糖。殼寡糖的結(jié)構(gòu)可用圖1所示通式表示。

殼寡糖及其衍生物被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，在植物生長調(diào)節(jié)及抗病等方面的應(yīng)用具有極大的潛力。

1 殼寡糖在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1 1 作為植物病原菌生長抑制劑

在植物病原真菌與寄生植物之間，殼寡糖對植物病原真菌的孢子發(fā)芽和生長具有抑制作用，并對病原菌感染的防護機能具有誘導(dǎo)作用。孫輝等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖對黃瓜枯萎病菌等的生長和萌發(fā)均有不同程度的抑制作用 [2]。胡健等研究發(fā)現(xiàn)不同分子量的殼寡糖對各種植物病原細菌的生長及植物病原真菌孢子萌發(fā)形成菌絲體都有明顯的抑制作用 [3]。趙小明等發(fā)現(xiàn)殼寡糖可提高棉花對黃萎病的抵抗能力 [4]。白春微等發(fā)現(xiàn)殼寡糖對水稻紋枯病菌的菌核萌發(fā)和菌絲生長沒有抑制作用，但可引發(fā)水稻對紋枯病的誘導(dǎo)抗病性 [5]。劉曉宇等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖對棉花炭疽病菌、稻瘟病等多種植物病原菌的生長有明顯的抑制作用 [6]。黃磊等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖可以顯著抑制病菌孢子萌發(fā)和菌絲生長，對黃瓜黑星病具有明顯的防治作用 [7]。

1 2 作為生長調(diào)節(jié)劑

殼寡糖還能調(diào)節(jié)植物基因的關(guān)閉與開放，促進植物細胞的活化，刺激植物生長。張文清等研究殼聚糖在乳酸介質(zhì)中的氧化降解工藝，以制備分子量為2 000～3 000的殼寡糖，試驗證明殼寡糖對黃瓜具有良好的促生長作用 [8]。袁建平等研究發(fā)現(xiàn)一定濃度的殼寡糖能夠促進玉米種子萌發(fā)和幼苗生長，但其促進作用隨殼寡糖濃度的不同而有較大的差異 [9]?？镢y近等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖水溶液能夠提高冷害水稻幼苗根系活力的作用，從而有效地提高水稻幼苗的抗冷能力。

1 3 作為種子被膜劑

陸引罡等對殼寡糖油菜種衣劑劑型應(yīng)用效果進行研究，發(fā)現(xiàn)殼寡糖拌種可明顯抑制油菜菌核病的發(fā)生，3個油菜品種的防治率為34 19%～44 1% [10]。

基于殼寡糖在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛的用途，對殼寡糖的研究受到越來越多研究者的關(guān)注。對殼寡糖的前期研究報道多見于非專利文獻，研究的方向在于殼寡糖自身聚合度以及殼寡糖的脫乙酰化水平對殼寡糖活性的影響。日本明治制藥株式會社在1988年就殼寡糖的制備申請了發(fā)明專利，專利文獻的公開號為JP63216804，在該文獻中，研究人員從甲殼質(zhì)中經(jīng)過鹽酸溶解脫酰化后，52 ℃處理48 h，過濾掉不溶的成分，用陰離子交換樹脂進行中和并除去氯離子等雜質(zhì)，濃縮得到殼寡糖濃縮液，得到的殼寡糖溶液被用于促進植物的生長 [11]。

此后隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)殼寡糖可以像殼聚糖一樣進行改性，從而獲得更好的生物活性。然而，目前關(guān)于殼寡糖改性的綜述主要涉及非專利文獻，能夠系統(tǒng)體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的專利文獻卻被忽視，至今尚無文獻系統(tǒng)報道關(guān)于殼寡糖改性技術(shù)的專利狀況?？梢娹r(nóng)業(yè)領(lǐng)域缺乏對殼寡糖改性技術(shù)的專利申請情況以及技術(shù)發(fā)展程度的系統(tǒng)梳理。本文以中國專利數(shù)據(jù)庫和德溫特專利數(shù)據(jù)庫為依托，選取有代表性的中外專利文獻，系統(tǒng)梳理了涉及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的殼寡糖改性技術(shù)的專利申請狀況，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)中對殼寡糖的改性手段，以期為本領(lǐng)域研究人員提供更多殼寡糖改性思路，并為相關(guān)改性技術(shù)的專利申請?zhí)峁┙梃b。

2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)す烟歉男缘膶＠夹g(shù)發(fā)展?fàn)顩r

殼寡糖分子中C3、C6位的羥基以及C2位的氨基是強親核活潑基團，容易發(fā)生親核加成或親核取代反應(yīng)，C3、C6位的羥基還會發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基或羧基。

目前對殼寡糖的改性手段主要是通過共價鍵將一些功能基團引入殼寡糖。對殼寡糖進行改性的目的可分為：在C2位的氨基上連入含有更多或更強的陽離子基團以提高殼寡糖對某些不敏感菌的抑菌活性；在C6位上引入一個可起中介作用的基團，將殼寡糖連接到其他材料上以形成具有抗菌活性的功能材料。

[BT2+ 5]2 1 C2位的修飾

2 1 1 季銨鹽化反應(yīng) 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)す烟堑母男裕钤珀P(guān)注的是對其C2位的氨基進行修飾。在殼寡糖C2位的氨基上引入季銨鹽陽離子可顯著提高其抑菌活性。季銨鹽是一類陽離子表面活性劑，其自身即具有強烈的殺菌和防霉防蛀性能。在殼寡糖的氨基上引入季銨鹽陽離子可大幅度提高其抑菌活性，并且殼寡糖衍生物的抑菌活性與季銨鹽的取代度成正比。

2006年8月23日，中國科學(xué)院海洋研究所提出了“一種殼聚糖季銨鹽及其制備方法與應(yīng)用”的發(fā)明專利申請 [12]，反應(yīng)的原理是殼寡糖大分子上同時有氨基和羥基，利用氨基或羥基反應(yīng)活性，引入親水基團與之反應(yīng)，既可以保持殼寡糖的親水性，又能通過破壞殼寡糖分子鍵的氫鍵相互作用，從而得到水溶性殼寡糖的衍生物。此技術(shù)通過對殼寡糖進行化學(xué)改性，引入了親水性較強的羥丙基三甲基氯化銨基團，制備出N-上取代的羥丙基三甲基氯化銨殼寡糖，改善了水溶性，提高了吸濕、保濕性能及其抑菌活性。endprint

2010年11月9日，北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院提出了“一種O-季銨鹽低聚殼聚糖香草醛席夫堿抑菌劑及其制備方法”的發(fā)明專利申請 [13]，反應(yīng)原理同樣是利用殼寡糖分子結(jié)構(gòu)上的位點C2—NH2和C6—OH，C2—NH2與香草醛修飾形成席夫堿，再通過對其結(jié)構(gòu)中C6—OH接枝季銨鹽以增強制備產(chǎn)物的溶解性并同時增加抑菌活性中心，從而制備一種新型具有多抗菌活性中心的天然抑菌劑。

2011年3月22日，連云港海康生物科技有限公司提出了“一種殼寡糖季銨鹽及其合成方法”的發(fā)明專利申請 [14]，其方法是采用烷基化反應(yīng)，將C2上氨基季銨化。殼寡糖季銨鹽相比于殼寡糖，對辣椒疫霉菌及金黃色葡萄球菌的抑制作用更明顯。

2 1 2 酯化反應(yīng) 殼寡糖C2位的氨基上接入不飽和脂肪酸可制成植物生長調(diào)節(jié)劑或誘導(dǎo)植物抗病性制劑。

2010年12月24日，大連中科格萊克生物技術(shù)有限公司提交了“一類N-不飽和脂肪酸酰化殼寡糖及其制備和應(yīng)用”的發(fā)明專利申請 [15]，所得N-不飽和脂肪酸?；瘹す烟且詺す烟菫橹黧w，在每個結(jié)構(gòu)單元的氨基上接不飽和脂肪酸，該化合物集合了2種活性分子的活性，具有促進植物生長和誘導(dǎo)植物抗病性的活性。

2012年3月9日拜耳公司申請了“酯化殼寡糖在保護種子安全中的應(yīng)用”的發(fā)明專利 [16]，所述酯化殼寡糖是通過在C2位接入不飽和芳香酸得到，所得酯化殼寡糖能夠提高種子發(fā)芽率。

2012年9月10日，Novozymes公司提交了“種子處理方法和組合物”的發(fā)明專利申請，C2位接入不飽和脂肪酸得到改性殼寡糖，能夠促進植物生長 [17]。此外，國外專利文獻WO2014049546A2、WO2013044214A1、WO2013044212A1、WO2013044211A1、WO2013044208A2、WO2013040366A1分別報道了C2位接入不飽和脂肪酸得到具有促進植物生長功能的改性殼寡糖 [18-23]。上述反應(yīng)也是利用殼寡糖C2位的—NH2與不飽和脂肪酸上的羧基反應(yīng)，得到不飽和脂肪酸?；臍す烟?。

隨著對殼寡糖研究的深入，C2位的修飾不局限于季銨鹽陽離子，一些具有特殊性質(zhì)的復(fù)雜基團同樣可以用于C2位的修飾。

2011年04月02日，中國科學(xué)院海洋研究所申請了“一種殼聚糖縮脲代氨基脲衍生物及其制備方法” [24]，制備方法如圖2所示，反應(yīng)的機理是硫代胺基脲殼寡糖結(jié)構(gòu)中含有肼基，可與醛縮合在殼寡糖結(jié)構(gòu)中引入縮脲代氨基脲活性基團，進而與殼寡糖產(chǎn)生協(xié)同作用，顯著提高衍生物的生物活性。

2 2 C2—C3位的修飾

殼寡糖的糖殘基在C2位上有一個氨基，在C3上有一個羥基，都是平伏鍵，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得它們對具有一定離子半徑的一些金屬在一定pH值條件下具有螯合作用，可以與抑菌活性的金屬離子形成殼寡糖-金屬配合物。殼寡糖螯合金屬離子可作為生物肥為植物提供所需的金屬元素，同時又能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性。

2009年4月1日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所提出了“一種殼寡糖-稀土配合物及制備和應(yīng)用”的發(fā)明專利申請 [25]，由稀土離子與殼寡糖上的氨基和/或羥基配位鍵合而成，稀土元素配合物上的鍵合總質(zhì)量0 1%～18%，結(jié)構(gòu)如圖3所示，R=H或CH3CO—，n=0～8，所述稀土元素M通常為鈰、鑭、釹、鐠、釤中的一種或多種。所得到的殼寡糖-稀土配合物能顯著降解有機磷農(nóng)藥，具有誘導(dǎo)植物抗病性的活性，能

[ （W5][TPTHW3 tif]

夠促進植物生長、提高產(chǎn)量。

2011年12月13日，福州超大現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司提出了“一種用鹽析工藝制備有機鈦-殼寡糖銨鹽生物肥的方法”的發(fā)明專利申請 [26]，制得有機鈦-殼寡糖銨鹽生物肥，該肥料既具備有機鈦的所有功能，又兼?zhèn)錃す烟堑乃泄δ?，使有機鈦、殼寡糖多種功能相疊加。

2011年12月28日，遼寧師范大學(xué)提出了“殼六糖鉻配合物及其制備方法”的發(fā)明專利申請 [27]，利用殼寡糖分子中含有大量游離—NH2，且—NH2鄰位是—OH，可借氫鍵，也可借鹽鍵形成具有類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的籠形分子，從而對金屬離子有著穩(wěn)定的配位作用。

2013年9月2日，中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所提交了“寡糖及其衍生物釩配合物的制備方法及其應(yīng)用”的發(fā)明專利申請 [28]，首先將多糖水解得到寡糖（包括殼寡糖），再將寡糖或其衍生物與VO 2+進行絡(luò)合反應(yīng)，形成配合物，寡糖釩配合物可以充分發(fā)揮微量元素釩的生理活性，使兩者的作用相互協(xié)調(diào)并增強，提高釩在生物體內(nèi)的可利用性。

2008年10月13日至2011年12月28日，遼寧師范大學(xué)提交了一系列殼寡糖螯合金屬離子的發(fā)明專利申請，分別為“殼寡糖螯合釩及其制備方法”（CN102443076）、 “殼寡糖螯合銅及其制備方法”（CN101724094）、“殼寡糖螯合錳及其制備方法”（CN101849679）、“殼寡糖螯合亞鐵及其制備方法”（CN101849677）、“殼寡糖螯合鋅及其制備方法”（CN101849678） [29-33]。上述殼寡糖螯合金屬離子的反應(yīng)機理不盡相同。殼寡糖螯合釩的機理是殼寡糖與釩酸根發(fā)生酯化反應(yīng)，形成配合物。殼寡糖螯合銅、鋅、亞鐵和錳離子的機理是利用殼寡糖分子中含有大量游離—NH2，且—NH2鄰位是 —OH，可借氫鍵，也可借鹽鍵形成具有類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的籠形分子，從而對金屬離子有著穩(wěn)定的配位作用。

2 3 C6位的修飾

殼寡糖C6位上引入N-羥甲基丙烯酰胺可將殼寡糖的抑菌活性“嫁接”到海藻酸鈉等其他材料上，制成天然的抗菌材料。

2012年3月13日，中國海洋大學(xué)生物工程開發(fā)有限公司提交了“一種碘化殼寡糖海藻生物肥料的制備方法”的發(fā)明專利申請 [34]，酶解方法制備的海藻提取液與碘化殼寡糖溶液按一定比例進行螯合反應(yīng)，得到碘化殼寡糖海藻生物肥料，其對增強作物抗性、防治病毒性侵害等有明顯的效果。endprint

3 總結(jié)與展望

通過現(xiàn)有的專利文獻報道的改性技術(shù)來看，對殼寡糖的改性主要基于殼寡糖特殊的分子結(jié)構(gòu)，殼寡糖分子中C2位連接氨基，C3、C6位連接羥基，上述基團都是強親核的活潑基團，容易發(fā)生親核加成或親核取代反應(yīng)。C3、C6位的羥基還會發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基或羧基。C2位上的氨基和C3位上的羥基都是平伏鍵，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得它們對具有一定離子半徑的一些金屬在一定pH值條件下具有螯合作用，可以與具有抑菌活性的金屬離子形成殼寡糖-金屬配合物。

后期研究可基于C2位的氨基，選擇具有特定生物活性的基團進行成鹽、酰化或重氮化反應(yīng)；也可基于C3、C6位的羥基，選擇相應(yīng)的功能基團進行酯化或脫水縮合反應(yīng)。此外還可以充分挖掘殼寡糖分子中可被修飾的其他位點，豐富改性手段，從而使殼寡糖具備更廣泛的生物活性。

參考文獻：

[1] 徐俊光 殼寡糖對植物病原真菌的抑菌活性及其機理的初步研究[D] 大連：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，2007：2-3

[2]孫 輝，馬 青，杜昱光，等 真菌源寡聚糖對幾種植物病原菌的抑制作用[J] 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報，2003，31（1）：127-130

[3]胡 健，姜涌明，殷士學(xué) 殼寡糖抑制植物病原菌生長的研究[J] 揚州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，3（2）：42-44

[4]趙小明，杜昱光，白雪芳，等 中科3號防治棉花黃萎病田間藥效試驗[J] 中國棉花，2001，28（12）：26-27

[5]白春微，蔣選利，丁海霞，等 殼寡糖對水稻抗紋枯病抗性誘導(dǎo)的研究[J] 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（8）：103-106

[6]劉曉宇，劉志恒，呂淑霞 殼寡糖對植物病原真菌的抑制作用[J] 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33（2）：225，282

[7]黃 磊，呂淑霞，劉可杰，等 殼寡糖對黃瓜黑星病病菌抑制機理初探[J] 園藝與種苗，2012（4）：12-14，42

[8]張文清，隋雪燕，夏 瑋，等 殼寡糖的制備及其對黃瓜的促生長作用[J] 功能高分子學(xué)報，2002，15（2）：199-202

[9]袁建平，郭軍艾，戰(zhàn)丹丹，等 殼寡糖對玉米種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J] 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（1）：88-89

[10] 陸引罡，錢曉剛，彭 義，等 殼寡糖油菜種衣劑劑型應(yīng)用效果研究[J] 種子，2003（4）：38-39，92

[11]足立尭，石井隆文，日高秀昌 植物生長控制方法：JP，63216804[P] 1988-09-09

[12]邢榮娥，李鵬程，劉 松 一種殼聚糖季銨鹽及其制備方法與應(yīng)用：CN，101130574[P] 2008-02-27

[13]韓永萍，林 強，張 歡，等 一種O-季銨鹽低聚殼聚糖香草醛席夫堿抑菌劑及其制備方法：CN，102464729[P] 2012-05-23

[14]陳列歡，肖 輝，李 燕，等 一種殼寡糖季銨鹽及其合成方法：CN，102690297[P] 2012-09-26

[15]杜昱光，劉啟順，喬 瑩，等 一類N-不飽和脂肪酸?；瘹す烟羌捌渲苽浜蛻?yīng)用：CN，102532207[P] 2012-07-04

[16]Andersch，Wolfram，Meissner，et al Use of lipochito-oligosaccharide compounds for safeguarding seed safety of treated seeds：WO，2012120105[P] 2012-09-13

[17]Smith，Stewart R，Habib，et al Seed treatment methods and compositions：WO，2013036922[P] 2013-03-14

[18]Herrbach，Violaine，Bensmihen，et al Compositions and methods for ehancing plant growth and development：WO，2014049546[P] 2014-04-03

[19]Smith，Stewart R，Habib，et al Combinations of lipo-chitooligosaccharides and methods for use in enhancing plant growth：WO，2013044214[P] 2013-03-28

[20]Smith，Stewart R，Habib，et al Chitooligosaccharides and methods for use in enhancing soybean growth：WO，2013044212[P] 2013-03-28

[LM]

[21] Smith，Stewart R，Habib，et al Chitooligosaccharides and methods for use in enhancing corn growth：WO，2013044211[P] 2013-03-28

[22]Smith，Stewart R，Habib，et al Chitooligosaccharides and methods for use in enhancing plant growth：WO，2013044208[P] 2013-03-28

[23]Frodyma，Michael，Semones，et al Use of lipochito-oligosaccharides and/or chito oligosaccharides in combination with phosphate-solubiliizing microorganisms to enhance plant growth：WO，2013040366[P] 2013-03-21

[24]李鵬程，秦玉坤，邢榮娥，等 一種殼聚糖縮硫代氨基脲衍生物及其制備方法：CN，102212147[P] 2011-10-12

[25]杜昱光，劉啟順，郭振楚，等 一種殼寡糖-稀土配合物及制備和應(yīng)用：CN，101851258[P] 2010-10-06

[26]徐福樂，翁瑩冰，張美娟，等 一種用鹽析工藝制備有機鈦-殼寡糖銨鹽生物肥的方法：CN，102557823[P] 2012-07-11

[27]王秀武，曲婉秋，唐曉琳 殼六糖鉻配合物及其制備方法：CN，102558390[P] 2012-07-11

[28]衣悅濤，馮大偉，靳志明，等 寡糖及其衍生物釩配合物的制備方法及其應(yīng)用：CN，103435715[P] 2013-12-11

[29]王秀武，韋 丹，丁琳琳 殼寡糖螯合釩及其制備方法：CN，102443076[P] 2012-05-09

[30]王秀武，王 卓，姜云霞 殼寡糖螯合銅及其制備方法：CN，101724094[P] 2010-06-09

[31]王秀武，王 卓，金 月 殼寡糖螯合錳及其制備方法：CN，101849679[P] 2010-10-06

[32]王秀武，王 卓，金 月 殼寡糖螯合亞鐵及其制備方法：CN，101849677[P] 2010-10-06

[33]王秀武，王 卓，金 月 殼寡糖螯合鋅及其制備方法：CN，101849678[P] 2010-10-06

[34]刁紅霞，單俊偉，宋海妹 一種碘化殼寡糖海藻生物肥料的制備方法：CN，103304304[P] 2013-09-18endprint